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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen von polykristallinen Siliziumblöcken.
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In der Halbleitertechnik und der Solarzellentechnik ist es bekannt, polykristalline Siliziumblöcke durch Aufschmelzen von hochreinem Siliziummaterial in einem Schmelztiegel herzustellen. Die
DE 199 34 940 C2 beschreibt zum Beispiel eine entsprechende Vorrichtung zu diesem Zweck. Die Vorrichtung besteht im Wesentlichen aus einem Isolationskasten mit innen liegenden Heizelementen, einem Schmelztiegel und einer Nachchargiereinheit innerhalb des Isolationskastens. Als Heizelemente sind dabei Bodenheizer, angeordnet unterhalb des Schmelztiegels, Seitenheizer, angeordnet seitlich neben dem Schmelztiegel und Deckenheizer, angeordnet oberhalb des Schmelztiegels, vorgesehen.
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Bei der Herstellung des Siliziumblocks wird zunächst der Schmelztiegel bei geöffnetem Isolationskasten beladen und anschließend wird das Siliziumgranulat bei geschlossenem Isolationskasten im Schmelztiegel über die Heizelemente aufgeschmolzen. Nach einer Nachchargierung von zusätzlichem Siliziummaterial über eine entsprechende Nachchargiereinheit wird die Schmelze anschließend kontrolliert abgekühlt, um eine gerichtete Erstarrung der Schmelze von unten nach oben zu erzeugen.
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Hierbei sollte die Phasengrenze zwischen der Schmelze und dem erstarrten Teil möglichst flach ausgebildet sein, was über eine entsprechende Einstellung des Temperaturprofils in der Schmelze/dem erstarrten Teil erreicht wird. Dabei ist insbesondere ein Zusammenspiel zwischen dem Bodenheizer und dem gegenüberliegenden Deckenheizer geeignet, für eine flache Form der Phasengrenze zu sorgen, da sie durch ihre Positionierung einen sich im Wesentlichen vertikal erstreckenden gleichmäßigen Temperaturgradienten ermöglichen. Temperaturverluste an der Seite des Schmelztiegels können über die Seitenheizer oder eine geeignete thermische Isolierung ausgeglichen/minimiert werden.
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Für bestimmte Anwendungen, wie sie zum Beispiel in der nicht vorveröffentlichten
DE 10 2010 024 010 beschrieben ist, ist es jedoch zweckmäßig den Platz oberhalb des Schmelztiegels frei zu halten. Daher ist der Einsatz eines Deckenheizers nicht immer möglich oder sinnvoll.
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Eine kontrollierte Abkühlung der Schmelze im Schmelztiegel erfolgt daher bei Systemen ohne Deckenheizer über eine entsprechende Ansteuerung des Bodenheizers und/oder der Seitenheizer, die neben dem Schmelztiegel angeordnet sind. Beim Einsatz nur des Bodenheizers lässt sich aber keine gewünschte Kontrolle über das Temperaturprofil erreichen, da die Erstarrung ja von unten nach oben erfolgen soll. Der Einsatz der Seitenheizer hingegen führt zu einer ungewünscht starken Krümmung der Phasengrenze während der gerichteten Erstarrung.
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Ausgehend von der bekannten Vorrichtung liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen von polykristallinen Siliziumblöcken vorzusehen, die eine gute Steuerung der Phasengrenze erlaubt.
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Erfindungsgemäß sind Verfahren zum Herstellen eines polykristallinen Siliziumblocks nach Anspruch 1 und eine Vorrichtung zum Herstellen eines polykristallinen Siliziumblocks nach Anspruch 6 vorgesehen. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Bei einem Verfahren wird ein Schmelztiegel innerhalb einer Prozesskammer angeordnet, wobei der Schmelztiegel mit festem Siliziummaterial gefüllt ist, oder in der Prozesskammer mit Siliziummaterial befüllt wird. Dabei wird der Schmelztiegel relativ zu wenigstens einem Diagonalheizer so angeordnet, dass sich der Diagonalheizer seitlich versetzt zu und im Wesentlichen oberhalb des herzustellenden Siliziumblocks befindet. Anschließend wird das Siliziummaterial im Schmelztiegel bei geschlossener Prozesskammer über seine Schmelztemperatur aufgeheizt, um eine Siliziumschmelze im Schmelztiegel zu bilden und dann wird die Siliziumschmelze im Schmelztiegel unter ihre Erstarrungstemperatur abgekühlt, wobei während der Abkühlung eine Temperaturverteilung im Siliziummaterial wenigstens teilweise über den wenigstens einen Diagonalheizer gesteuert wird. Die Verwendung eines Diagonalheizer und somit das Einbringen von Wärme von schräg oben in die Siliziumschmelze ermöglicht die Ausbildung einer flachen Phasengrenze ohne die Verwendung eines Deckenheizers. Hierdurch ist der Raum oberhalb des Schmelzgutes frei, um zum Beispiel eine Nachchargiereinheit vorsehen zu können.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird ein in der Prozesskammer befindliches Plattenelement, das wenigstens eine Durchgangsöffnung für eine Gaszuführung aufweist, über dem Schmelztiegel abgesenkt und während wenigstens eines zeitlichen Abschnitts innerhalb des Zeitraums der Erstarrung der Siliziumschmelze wird eine Gasströmung auf die Oberfläche der Siliziumschmelze geleitet, wobei die Gasströmung wenigstens teilweise über die wenigstens eine Durchgangsöffnung in dem Plattenelement auf die Oberfläche des Siliziumschmelze gerichtet wird. Selbstverständlich kann die Gasströmung zusätzlich auch während des Aufheizvorgangs und/oder während des Abkühlvorgangs auf die Oberfläche des sich im Schmelztiegel befindenden Siliziums gerichtet werden. Das Leiten von Gas auf die Oberfläche der Siliziumschmelze in dem Raum, der zwischen der Oberfläche und dem Plattenelement gebildet wird, erlaubt eine gute Einstellung von Abkühlparametern und auch der Atmosphäre an der Oberfläche der Schmelze. Unter dem Begriff Zeitraum der Erstarrung der Siliziumschmelze soll der Zeitraum verstanden werden, in welchem der Wechsel des Siliziums vom flüssigen Aggregatszustand in den festen Aggregatszustand stattfindet. Das Plattenelement kann ferner als passives Heizelement dienen, das über die Diagonalheizer aufgeheizt wird und somit im Wesentlichen einen beweglichen Deckenheizer simuliert.
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Vorzugsweise wird vor dem Schließen der Prozesskammer zusätzliches Siliziummaterial derart an dem Plattenelement befestigt, dass wenigstens ein Teil des zusätzlichen Siliziummaterials beim Absenken des Plattenelements in die Siliziumschmelze im Schmelztiegel eintaucht und aufschmilzt, wodurch der Füllgrad der Siliziumschmelze im Schmelztiegel erhöht wird. Hierdurch dient das Plattenelement sowohl als Luftleitelement als auch als Nachchargiereinheit.
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Um die Diagonalheizer gegenüber Prozessgasen aus dem Bereich des Schmelztiegels zu schützen, kann eine von oben nach unten gerichtete Gasströmung über wenigstens eine zum Schmelztiegel weisende Seite des Diagonalheizers, während wenigstens eines Teilabschnitts des Aufheizens und/oder Abkühlens des Siliziummaterials geleitet werden.
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Für eine gewünschte Einstellung des Temperaturprofils in dem Siliziummaterial können wenigstens zwei übereinander angeordnete Diagonalheizer vorgesehen werden, die wenigstens während des Abkühlens des Siliziummaterials so angesteuert werden, dass sie eine um wenigstens 10% unterschiedliche Heizleistung abgeben.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist eine Prozesskammer, die zum Be- und Entladen geöffnet und geschlossen werden kann, eine Schmelztiegelaufnahme innerhalb der Prozesskammer zur Aufnahme eines Schmelztiegels in einer vorbestimmten Position und wenigstens einen Diagonalheizer innerhalb der Prozesskammer auf. Der Diagonalheizer ist so angeordnet, dass er seitlich zur Schmelztiegelaufnahme liegt, sich im Wesentlichen senkrecht hierzu erstreckt und von der Schmelztiegelaufnahme in Vertikalrichtung so weit beabstandet ist, dass der Diagonalheizer in Vertikalrichtung im Wesentlichen über einem im Schmelztiegel zu bildenden polykristallinen Siliziumblock liegt. Ferner ist der Diagonalheizer bei geschlossener Prozesskammer relativ zur Schmelztiegelaufnahme stationär. Eine solche Vorrichtung erlaubt die schon oben in Bezug auf das Verfahren genannten Vorteile.
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Vorzugsweise überlappen maximal 20% des Diagonalheizers einen auf der Schmelztiegelaufnahme aufgenommenen Schmelztiegel und/oder einen darin ausgebildeten polykristallinen Siliziumblock in Vertikalrichtung, um hierüber eine Erwärmung von Siliziummaterial von schräg oben insbesondere während einer Abkühlphase vorsehen zu können.
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Für eine gute Einstellung eines Temperaturprofils im Prozessraum und insbesondere im Siliziummaterial können wenigstens zwei übereinander angeordnete Diagonalheizer vorgesehen sein. Dabei weisen vorzugsweise wenigstens zwei der übereinanderliegenden Diagonalheizer jeweils wenigstens ein Widerstandsheizelement auf, wobei vertikal übereinander liegende Widerstandsheizelemente unterschiedliche Widerstände pro Längeneinheit aufweisen, wobei das Widerstandsheizelement mit dem höheren Widerstand pro Längeneinheit einen um wenigstens 10% höheren Widerstand pro Längeneinheit aufweist als das andere Widerstandsheizelement. Dabei wird unter der Längeneinheit des Diagonalheizers seine Abmessung in entlang der Flussrichtung des Stromes verstanden. Vorzugsweise hat dabei das obere Widerstandsheizelement den niedrigeren Widerstand pro Längeneinheit. Vorzugsweise sind die vertikal übereinander liegenden Diagonalheizer über gemeinsame Elektroden mit einer gemeinsamen Ansteuereinheit verbunden.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung weist der Diagonalheizer ein einen Heizraum umgebendes Widerstandsheizelement mit geraden Abschnitten und Eckabschnitten auf, wobei die geraden Abschnitte vorzugsweise einen um wenigstens 10% höheren Widerstand pro Längeneinheit aufweisen als die Eckabschnitte. Die Eckabschnitte können zum Beispiel um wenigstens 10% dicker oder breiter als die geraden Abschnitte sein. Ferner kann wenigstens ein Diagonalheizer ein einen Heizraum umgebendes Widerstandsheizelement mit geraden Abschnitten und Eckabschnitten aufweisen, wobei die Eckabschnitte abgerundet sind.
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Bei einer weiteren Ausführungsform ist ferner folgendes vorgesehen: ein im Prozessraum über der Schmelztiegelaufnahme angeordnetes Plattenelement, das wenigstens eine Durchgangsöffnung aufweist, wenigstens ein Gaszuführungsrohr, das sich in oder durch die wenigstens eine Durchgangsöffnung in dem Plattenelement erstreckt, und wenigstens eine Gaszuführeinheit außerhalb der Prozesskammer zum Leiten einer Gasströmung in und durch das Gaszuführungsrohr hindurch in einen Bereich unterhalb des Plattenelements. Hierdurch wird während wenigstens eines Teilabschnitts des Prozesses das kontrollierte Leiten eines Gases auf die Oberfläche des im Schmelztiegel befindlichen Siliziummaterials mit den schon oben genannten Vorteilen ermöglicht.
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Vorzugsweise ist ein Hubmechanismus für das Plattenelement vorgesehen, um hierüber die Gasströmung und gegebenenfalls die Temperaturverteilung im Prozessraum beeinflussen zu können. Vorzugsweise weist das Plattenelement Mittel zum Befestigen von Siliziummaterial auf, um auch als Chargiereinheit dienen zu können. Insbesondere kann das zusätzliche Siliziummaterial allein durch eine Bewegung des Plattenelements in die Siliziumschmelze eingebracht werden, so dass keine zusätzlichen Führungselemente erforderlich sind.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist ein Folienvorhang benachbart zu einer zum Schmelztiegel weisenden Seite des wenigstens einen Diagonalheizers vorgesehen, um eine Gasströmung aus dem Schmelztiegel zum Diagonalheizer blockieren zu können. Schädliche Gase für die Heizeinheiten sind zum Beispiel Si, SiO, oder O, die aus der Siliziumschmelze austreten können. Zum Schutz der Diagonalheizer können auch Mittel vorgesehen sein, die eine Gasströmung beispielsweise von oben nach unten entlang des wenigstens einen Diagonalheizers mit einem separaten Gas vorsehen.
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Vorzugsweise erstreckt sich wenigstens ein Teilbereich wenigstens einer Anschlusselektrode entlang einer Breitenabmessung des Schmelztiegels. Hierdurch kann eine Rührwirkung in der Schmelze im Schmelztiegel erzeugt werden. Dabei erstreckt sich der wenigstens eine Teilbereich benachbart zu einem oberen Drittel eines im Schmelztiegel ausgebildeten polykristallinen Siliziumblocks.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen noch näher erläutert; in den Zeichnungen zeigt:
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1 eine schematische Schnittansicht durch eine Vorrichtung zum Herstellen eines polykristallinen Siliziumblocks mit einem mit Siliziumrohmaterial gefüllten Schmelztiegel;
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2 eine schematische Ansicht ähnlich der 1, wobei das Siliziumrohmaterial im Schmelztiegel aufgeschmolzen ist;
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3 eine schematische Ansicht ähnlich der 2, wobei jedoch zusätzliches Siliziumrohmaterial in den Schmelztiegel eingetaucht ist;
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4 eine schematische Ansicht ähnlich der 3 während einer Abkühlphase;
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5 eine schematische Schnittansicht durch eine alternative Vorrichtung zum Herstellen eines polykristallinen Siliziumblocks mit einem mit Siliziumrohmaterial gefüllten Schmelztiegel;
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6 eine schematische Schnittansicht entlang der Linie IV-IV in 4.
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In der nachfolgenden Beschreibung verwendete Bezeichnungen wie oben, unten, links und rechts und ähnliches, beziehen sich auf die Figuren und sollen in keiner Weise einschränkend sein, obwohl sie sich auf eine bevorzugte Ausführungsform beziehen. Die Formulierung im Wesentlichen, bezogen auf Winkel und Anordnungen, soll Abweichungen bis 10° vorzugsweise bis 5° umfassen, sofern nicht andere Angaben gemacht sind.
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1 zeigt eine schematische Schnittansicht durch eine Vorrichtung 1 zum Herstellen eines polykristallinen Siliziumblocks.
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Die Vorrichtung 1 besteht im Wesentlichen aus einem Isolationskasten 3, der einen Prozessraum 4 definiert. Innerhalb des Prozessraums 4 sind eine nicht näher dargestellte Aufnahmeeinheit zum Aufnehmen eines Schmelztiegels 6, eine Bodenheizeinheit 7, eine optionale Seitenheizeinheit 8 sowie zwei übereinander angeordnete Diagonalheizeinheiten 9a und 9b vorgesehen. Am unteren Ende der Seitenwand des Isolationskastens 3 ist wenigstens ein Gasauslass 10 vorgesehen. Ein Plattenelement 11 ist oberhalb der Aufnahme für den Schmelztiegel 6 vorgesehen, und ferner ist eine Gaszuführleitung 13 vorgesehen, die sich von oben durch den Isolationskasten 3 und durch das Plattenelement 11 hindurch in den Prozessraum 4 erstreckt. Benachbart zu den Diagonalheizern 9a, 9b und einem Teil des Seitenheizers 8 sind optionale Folienvorhänge 14 vorgesehen, die oberhalb der obersten Diagonalheizeinheit 9b befestigt sind. Die Folienvorhänge befinden sich wenigstens teilweise in einem Raum zwischen Diagonal-/Seitenheizeinheit 9a, 9b, 8 und Schmelztiegel 6.
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Der Isolationskasten 3 ist aus einem geeigneten isolierenden Material aufgebaut, wie es in der Technik bekannt ist und wird daher nicht näher beschrieben.
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Der Prozessraum 4 steht über nicht näher dargestellte Mittel mit Gaszuführ- und Auslassleitungen in Verbindung, um darinnen eine bestimmte Prozessatmosphäre einzustellen. Diese sind bis auf die Gaszuführleitung 13 und die Gasauslässe 10 nicht näher dargestellt.
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Der Schmelztiegel 6 ist aus einem geeigneten bekannten Material, wie beispielsweise Siliziumkarbid, Quarzgut, Siliziumnitrid, oder aus mit Siliziumnitrid beschichteten Quarzgut, das den Herstellungsprozess nicht beeinträchtigt und den hohen Temperaturen beim Schmelzen von Siliziummaterial standhält. Der Schmelztiegel 6 wird in der Regel bereits während des Prozesses durch thermische Expansionsprozesse teilweise zerstört und kann so zur Entnahme des fertigen Siliziumblocks leicht entfernt werden.
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Der Schmelztiegel 6 bildet eine nach oben offene Wanne, die, wie in 1 dar gestellt ist, mit Siliziumrohmaterial 20 bis zu seiner Oberkante befüllt werden kann. Für die Befüllung werden beispielsweise Siliziumstangen verwendet, und die Zwischenräume werden mit Siliziumbruch zumindest teilweise verfüllt, wie auf der linken Seite in 1 angedeutet ist. Hierdurch lässt sich ein relativ guter Füllgrad erreichen, es verbleiben jedoch immer noch Lufttaschen innerhalb des befüllten Schmelztiegels. Dies führt dazu, dass das Siliziumrohmaterial 20, wenn es aufgeschmolzen wird, den Schmelztiegel 6 nicht vollständig ausfüllt, wie in 2 angedeutet ist, wobei der kreuzschraffierte Bereich eine Siliziumschmelze 22 darstellt.
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Die Bodenheizeinheit 7 ist unterhalb bzw. in einer Schmelztiegelaufnahme vorgesehen und liegt somit unterhalb des Schmelztiegels 6, wenn dieser in dem Prozessraum aufgenommen ist. Die optionale Seitenheizeinheit 8 umgibt den Schmelztiegel 6 radial, wenn er in dem Prozessraum 4 aufgenommen ist. Die Diagonalheizeinheiten 9a und 9b liegen übereinanderliegen oberhalb der Seitenheizeinheit 8 und umgeben einen oberhalb des Schmelztiegels 6 liegenden Bereich des Prozessraums. Obwohl die untere Diagonalheizeinheit 9a so dargestellt ist, dass sie vollständig über dem Schmelztiegel liegt, sei bemerkt, dass sie diesen auch teilweise überlappen kann. Als Diagonalheizeinheit 9 wird im Nachfolgenden eine Heizeinheit bezeichnet, die wenigstens teilweise einen Raum oberhalb des Schmelztiegels 6 radial umgibt und die mit maximal 20%, vorzugsweise maximal 10% ihrer Höhe den Schmelztiegel 6 bzw. einen darin ausgebildeten Siliziumblock in Vertikalrichtung überlappt. Eine größere Überlappung mit dem Schmelztiegel 6 ist möglich solange keine größere Überlappung mit dem darin gebildeten Siliziumblock besteht, da dieser bzw. eine diesen bildende Siliziumschmelze 6 das eigentlich diagonal (d. h. schräg von oben) zu heizende Gut darstellt. Natürlich kann ein Diagonalheizer auch vollständig über dem Schmelztiegel 6 liegen, wie in 1 dargestellt ist.
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Die Heizeinheiten 7, 8, 9a 9b sind jeweils des Typs der in der Lage ist, die Prozesskammer 4, und insbesondere den Schmelztiegel 6 und das darin befindliche Siliziumrohmaterial 20 ausreichend so zu erwärmen, dass das Rohmaterial 20 schmilzt und eine Schmelze 22 bildet, wie in 2 dargestellt ist.
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Die Seitenheizeinheit 8 und die Diagonalheizeinheiten 9a, 9b werden durch jeweilige übereinander liegende Heizbänder gebildet, die relevant unterschiedliche Widerstände und damit unterschiedliche Heizleistung besitzen können. Als relevant unterschiedlich wird hier ein Unterschied gesehen, bei dem ein höherer Widerstand pro Längeneinheit um wenigstens 10% über einem niedrigeren Widerstand pro Längeneinheit liegt. Auf diese Weise kann das Verhältnis der beheizten Seitenfläche des Tiegels bzw. eines darin befindlichen Siliziummaterials zu der der Atmosphäre zugewandten Oberfläche des Siliziummaterials gezielt beeinflusst werden, ohne teure unabhängig voneinander regelbare Heizer verwenden zu müssen. Insbesondere können bei gleicher Ansteuerung unterschiedliche Heizleistungen vorgesehen werden, sodass ein vordefiniertes Temperaturprofil in dem Prozessraum 4 eingestellt werden kann. Insbesondere kann die obere Diagonalheizeinheit 9b so ausgebildet sein, dass sie bei gleicher Ansteuerung eine höhere Heizleistung abgibt als die untere Diagonalheizeinheit 9a.
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Jedes der Heizbänder kann einteilig ausgebildet sein oder auch aus mehreren Segmenten bestehen, die dann bevorzugt im Bereich von Elektroden 40a, 40b und 40c (siehe 1 bis 5 und 6) die für die Ansteuerung der Heizbänder vorgesehen sind, elektrisch verbunden sind. Wie zu erkennen ist, sind für den Seitenheizer 8 und die Diagonalheizer 9a und 9b drei gemeinschaftliche Elektroden 40a, 40b und 40c vorgesehen, die mit einer geeigneten Ansteuereinheit in Verbindung stehen, um in den jeweiligen Heizeinheiten 8, 9a, 9b einen Drehstrom anzulegen. Das Vorsehen einer gemeinsamen Ansteuerung und gemeinschaftlicher Elektroden 40 für die Diagonalheizer 9a, 9b und auch den Seitenheizer 8 birgt insbesondere den Vorteil, dass die Anzahl von Durchführungen durch den Isolationskasten 3 reduziert werden kann. Hierdurch kann der Wärmeverlust im Bereich der von Durchführungen vermindert werden. Auch ist bei einer gemeinsamen Ansteuerung nur eine Ansteuereinheit mit den entsprechenden elektrischen Komponenten erforderlich. So ist zum Beispiel nur ein Transformator erforderlich, was die Kosten und die Fehleranfälligkeit verringert. Die Einstellung eines gewünschten Temperaturprofils in der Prozesskammer 4 kann über eine entsprechende Einstellung von Widerstandswerten der Heizeinheiten erfolgen, wie nachfolgend noch näher erläutert wird.
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Zwei der Elektroden 40a und 40b besitzen jeweils einen ersten sich horizontal erstreckenden Abschnitt 42, der sich durch den Isolationskasten 3 erstreckt, einen sich daran anschließenden im Wesentlichen horizontal erstreckenden Abschnitt 43, der sich innerhalb des Isolationskastens 3 im Wesentlichen parallel zu einem Seitenwandabschnitt des Schmelztiegels 6 erstreckt, einen daran anschließenden sich vertikal erstreckenden Abschnitt 44, sowie sich vom vertikalen Abschnitt 44 erstreckende Anschlussabschnitte 45, 46 und 47. Die Anschlussabschnitte 45, 46 und 47 verbinden den vertikalen Abschnitt 44 der Elektroden 40a und 40b mit dem Seitenheizer 8, dem unteren Diagonalheizer 9a bzw. dem oberen Diagonalheizer 9b. Die Elektrode 40c besitzt einen horizontalen Abschnitt, der sich durch den Isolationskasten erstreckt, und einen sich direkt daran anschließenden vertikal erstreckenden Abschnitt, sowie sich vom vertikalen Abschnitt erstreckende Anschlussabschnitte.
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Für jede der Elektroden 40a, 40b und 40c ist nur eine Durchführung durch den Isolationskasten 3 erforderlich. Jede dieser kann Elektroden 40a, 40b, und 40c kann vorteilhafterweise sowohl den Seitenheizer 8 als auch die Diagonalheizer 9a, 9b mit Strom zu versorgen. Der sich im Wesentlichen parallel zu einem Seitenwandabschnitt des Schmelztiegels 6 erstreckende Abschnitt 43 der Elektroden 40a und 40b (6) kann dabei in einer Schmelze im Schmelztiegel aufgrund des ihn durchfließenden hohen Stromes eine vorteilhafte magnetische Rührwirkung erzeugen. Hierfür erstrecken sich die Abschnitte 43 vorzugsweise benachbart zu einem oberen Drittel, insbesondere einem oberen Viertel eines im Schmelztiegel 6 ausgebildeten Siliziumblocks. Die sich vertikal erstreckenden Abschnitte 44 – und somit die Anschlussabschnitte 45, 46 und 47 – der Elektroden 40a, 40b und 40c sind im Wesentlichen mit gleichem Winkelabstand um den Umfang der Heizeinheiten 8, 9a und 9b herum angeordnet.
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Die Heizbänder der Seitenheizeinheit 8 und der Diagonalheizeinheiten 9a, 9b besitzen jeweils gerade Abschnitte, die im Wesentlichen parallel zu Seitenwänden des Schmelztiegels 6 verlaufen sowie Eckabschnitte, wie in der Ansicht in 6 zu erkennen ist. Die geraden Abschnitte und die Eckabschnitte können wiederum relevant unterschiedliche Widerstände pro Längeneinheit in Stromrichtung (wenigstens 10%) und damit unterschiedliche Heizleistung aufweisen. Hierdurch kann der Wärmeeintrag in die Ecken des Schmelztiegels bzw. des darin befindlichen Siliziummaterials gezielt beeinflusst werden. Für eine Verringerung der Heizleistung in den Ecken kann z. B. ein dickerer und oder breiterer Heizer verwendet werden (z. B. Graphit- bzw. CFC-Folie), oder es können auch zusätzliche Bauteile (z. B. aus ISO- bzw. Strangguss-Graphit) zum Einsatz kommen, die den Gesamtheizwiderstand in den Ecken relevant erniedrigen. Die Eckabschnitte können abgerundet sein, wie in 6 angedeutet ist, um verschleiß- und fehleranfällige Eckverbindungen, die zum Überhitzen neigen, zu vermeiden.
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Werden preislich günstige Graphitfolien als Heizerbänder eingesetzt, müssen diese gegen Verformung mechanisch stabilisiert werden. Hierzu bietet es sich an, vertikale Fixierleisten aus einem elektrisch isolierenden Material (z. B. Siliziumnitrid) einzusetzen, da so keine Ausgleichsströme zwischen verschiedenen Heizerbändern fließen können und die Heizerbänder sich vertikal nicht aber horizontal bewegen oder verwinden können.
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Werden CFC-Heizerbänder verwendet, bietet es sich an, speziell der erforderlichen Geometrie angepasste, vorgefertigte Formteile zu verwenden, wie z. B. in den Ecken abgerundete Heizbänder. Ein solches Heizerband kann aus einem Stück gefertigt, oder in (z. B. 3) Segmente unterteilt sein, die in vorteilhafter Weise an den Elektroden eingespannt und kontaktiert werden. Der Montage- bzw. Wartungsaufwand wird so deutlich reduziert.
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Die oben genannten Eigenschaften und Merkmale in Bezug auf die Seitenheizeinheit 8 und die Diagonalheizeinheiten 9a und 9b sind auch losgelöst von der Verwendung der Diagonalheizer vorteilhaft und könnten in Systemen ohne Diagonalheizer eingesetzt werden.
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Das oberhalb des Schmelztiegels 6 angeordnete Plattenelement 11 ist aus einem geeigneten Material, das bei den eingesetzten Temperaturen, welche für das Aufschmelzen des Siliziumrohmaterials verwendet werden, nicht schmilzt, und das keine Verunreinigungen in dem Prozess einführt. Ferner ist es aus einem Material, das sich gut passiv über die Diagonalheizeinheiten 9a, 9b erwärmen lässt. Das Plattenelement 11 ist über einen nicht näher dargestellten Mechanismus innerhalb der Prozesskammer auf und ab bewegbar, wie nachfolgend unter Bezugnahme auf die 3 und 4 noch näher erläutert wird. An der Unterseite des Plattenelements 11 sind Halteeinheiten 24 vorgesehen, die in der Lage sind, zusätzliches Siliziumrohmaterial, wie beispielsweise Siliziumstangen 26 unterhalb des Plattenelements 11 zu halten. Bei der Darstellung gemäß 1 sind vier Siliziumstangen 26 dargestellt, die in einer Reihe unterhalb des Plattenelements 11 angeordnet sind. Natürlich sind über die Tiefe (d. h. senkrecht zur Darstellungsebene) noch weitere solcher Halteelemente vorgesehen, um zusätzliche Siliziumstangen 26 zu halten.
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Darüber hinaus ist es natürlich auch möglich, dass die Halteelemente 24 z. B. Siliziumrohmaterial in Form von Scheiben oder unterschiedlich langen Stababschnitten tragen. Die Halteelemente sind nur als einfache Stäbe dargestellt, die beispielsweise in die Siliziumstäbe geschraubt sind. Sie können aber auch Greifer oder sonstige Elemente sein, die geeignet sind, die Siliziumstäbe 26 zu tragen. Sie sollten wiederum aus temperaturbeständigem Material sein, das die Siliziumschmelze nicht verunreinigt.
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Das Plattenelement 11 besitzt eine Umfangsform, die ungefähr dem Innenumfang des Schmelztiegels 6 entspricht. Das Plattenelement besitzt ferner eine mittlere Durchfuhröffnung 30, durch die sich das Gaszufuhrrohr 13 hindurch erstreckt.
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Das Gasdurchführrohr 13 ist aus einem geeigneten Material wie beispielsweise Graphit. Es erstreckt sich aus der Prozesskammer 4 durch den Isolationskasten 3 nach außen und ist dort mit einer geeigneten Gaszuführung für beispielsweise Argon verbunden. Über das Gaszufuhrrohr 13 kann Gas in die Prozesskammer 4 eingeleitet werden, wie nachfolgend noch näher erläutert wird. Das Gaszufuhrrohr 13 kann eine Führung für das Plattenelement 11 während einer Auf- oder Abbewegung desselben vorsehen.
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Oberhalb der oberen Diagonalheizeinheit 9b sind jeweils Befestigungselemente für Folienvorhänge 14 angedeutet (1). Die daran befestigten Folienvorhänge 14 erstrecken sich in einem Bereich zwischen einem Raum oberhalb des Schmelztiegels und den Diagonalheizeinheiten 9a, 9b und zwischen Seitenheizeinheit 8 und Schmelztiegel 6, wie in den 1 bis 4 gezeigt ist. Optional können sie auch noch den Deckenbereich des Prozessraums 4 zumindest partiell überdecken (6). Die Folienvorhänge 14 sind aus einem temperaturbeständigen, gasdichten Material, das keine unerwünschten Verunreinigungen in den Prozessraum abgibt, wie zum Beispiel aus Graphitfolie. Die Folienvorhänge 14 können sich auch direkt von der Decke des Isolationskastens 3 erstrecken und hiergegen abgedichtet sein. Auch ist es möglich, dass sie an ihrem unteren Ende mit einer Seitenwand des Isolationskastens 3 abgedichtet sind und somit einen abgedichteten Aufnahmeraum für die Seiten/Diagonalheizer bilden.
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Der Betrieb der Vorrichtung 1 wird nun nachfolgend unter Bezugnahme auf die 1 bis 4 näher erläutert, wobei die Figuren jeweils dieselbe Vorrichtung während unterschiedlicher Verfahrensschritte zeigt.
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1 zeigt die Vorrichtung 1, vor dem Beginn des eigentlichen Herstellungsprozesses. Der Schmelztiegel 6 ist mit Siliziumrohmaterial 20 bis zu seiner Oberkante gefüllt. In der Darstellung sind Siliziumstäbe und Siliziumgranulat verwendet worden, um den Schmelztiegel 6 zu befüllen. An dem Plattenelement 11 sind über die Halteelemente 24 Siliziumstäbe 26 angebracht.
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Wenn die Vorrichtung 1 so vorbereitet ist, wird nun das Siliziumrohmaterial 20 in dem Schmelztiegel 6 unter Wärmezufuhr durch die Bodenheizeinheit 7, die Seitenheizeinheit 8 und die Diagonalheizeinheiten 9a, 9b aufgeschmolzen. Dabei werden die Heizeinheiten 7, 8, 9a und 9b so geregelt, dass eine Wärmezufuhr primär von unten erfolgt, so dass die Siliziumstäbe 26, die oberhalb des Schmelztiegels 6 durch das Plattenelement 11 gehalten werden, zwar mit erwärmt werden aber nicht aufschmelzen.
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Wenn das Siliziumrohmaterial 20 vollständig aufgeschmolzen ist, bildet sich eine Siliziumschmelze 22 in dem Schmelztiegel 6, wie in 2 dargestellt ist. Die Siliziumstäbe 26 an dem Plattenelement 11 sind zu diesem Zeitpunkt noch nicht aufgeschmolzen. Dann wird das Plattenelement 11 über den nicht näher dargestellten Hubmechanismus abgesenkt, um die Siliziumstangen 26 in die Siliziumschmelze 22 einzutauchen, wie in 3 dargestellt ist. Hierdurch steigt der Füllgrad der Siliziumschmelze 22 innerhalb des Schmelztiegels wesentlich an, wie in 3 zu erkennen ist. Die eingetauchten Siliziumstangen 26 werden durch den Kontakt mit der Siliziumschmelze 22 und gegebenenfalls zusätzliche. Wärmezufuhr durch die Bodenheizer 7 und die Seitenheizer 8 vollständig aufgeschmolzen und gehen in die Schmelze 22 ein.
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Anschließend kann das Plattenelement entweder in der Position gemäß 3 belassen werden, sofern die Halteelemente 24 nicht die Siliziumschmelze 22 kontaktieren. Sollte dies der Fall sein, wird das Plattenelement 11 geringfügig angehoben, um die Halteelemente 24 aus der Schmelze 22 heraus zu heben, wie dies in 4 dargestellt ist.
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Die Heizeinheiten können zu diesem Zeitpunkt in ihrer Wärmezufuhr wesentlich verringert, oder ausgeschaltet werden, um eine Abkühlung der Siliziumschmelze 22 innerhalb des Schmelztiegels 6 zu erreichen. Hierbei wird die Abkühlung insbesondere über die Diagonalheizeinheiten 9a, 9b so gesteuert, dass eine Erstarrung der Schmelze 22 von unten nach oben in gerichteter Weise erfolgt. Dabei kann über die Steuerung der Diagonalheizer 9a, 9b eine flache Phasengrenze zwischen der Siliziumschmelze 22 und einem erstarrten Teil 32 erreicht werden, wie in 4 zu erkennen ist. Dabei zeigt 4 den Prozesszeitpunkt, bei dem der untere Teil 32 des Siliziummaterials im Schmelztiegel erstarrt ist, während obenauf noch Siliziumschmelze 22 vorhanden ist. Die flache Phasengrenze wird dadurch erreicht, dass die Diagonalheizer 9a, 9b in Kombination mit dem Plattenelement 11 einen Deckenheizer simulieren und somit in der Horizontalen jeweils eine im Wesentlichen gleiche Temperatur im Siliziummaterial im Schmelztiegel 6 erreicht werden kann. Dies könnte natürlich auch ohne das Plattenelement 11 erreicht werden, da die Diagonalheizer das Siliziummaterial im Schmelztiegel 6 schräg von oben her erwärmen. Das Plattenelement 11 ist daher zwar als vorteilhaft aber optional zu sehen und könnte entfallen und gegebenenfalls durch eine andere Nachchargiereinheit ersetzt werden.
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Zu einem Zeitpunkt des Prozesses, und insbesondere gegen Anfang und während der Aufschmelzphase wird über das Gaszuführrohr 13, ein gegenüber dem Silizium inertes Gas wie beispielsweise Argon auf die Oberfläche der Siliziumschmelze 22 geleitet. Das Gas strömt über die Oberfläche der Siliziumschmelze 22 nach außen und dann zwischen Schmelztiegel 6 und Folienvorhang 14 zum Gasauslass 10, wie in 4 zu erkennen ist. Der Folienvorhang 14 dient dabei als Schutz der Diagonalheizeinheiten 9a, 9b und der Seitenheizeinheit 8 gegenüber einem Kontakt mit dem über die Oberfläche der Siliziumschmelze geführten, und daher gasförmiges Silizium, SiO oder Sauerstoff aufweisenden Gas.
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Optional können die Diagonalheizeinheit 9a, 9b und die Seitenheizeinheit 8 von einem beispielsweise separat zwischen Folienvorhang 14 und Isolationskasten 3 eingeleiteten zusätzlichen Gas, welches nicht mit dem Material der Heizeinheiten 9a, 9b, 8 oder mit der von der Oberfläche der Siliziumschmelze abgeleiteten Gasströmung chemisch reagiert (beispielsweise mit Argon oder mit einem anderen Edelgas), umgeben werden. Hierdurch wird verhindert, dass das Gas, das über die Siliziumschmelze 22 geleitet wurde und gasförmiges Silizium aufweist, an die Heizeinheiten 9a, 9b, 8 gelangt. Sowohl das über die Heizeinheiten 9a, 9b, 8 geleitete zusätzliche Gas, als auch das über die Siliziumschmelze 22 geleitete Gas können über die Gasauslässe 10 abgeleitet werden.
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Wenn die Siliziumschmelze 22 vollständig erstarrt ist, wird ein Siliziumblock innerhalb des Schmelztiegels 6 gebildet, der das Endprodukt darstellt. Der Block kann innerhalb der Prozesskammer 4 noch weiter auf eine Handhabungstemperatur abgekühlt werden, bevor er aus der Prozesskammer 4 entnommen wird.
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Bei dem oben beschriebenen Aufschmelzen des Siliziummaterials und dem abschließenden Abkühlen können die Heizeinheiten 8, 9a und 9b zum Beispiel so angesteuert werden, dass sie ungefähr 10%, 30% bzw. 60% zu der seitlich/diagonal zur Verfügung gestellten Heizleitung beitragen. Dies kann über individuelle Ansteuerung der Einheiten oder durch den inhärenten Aufbau der Einheiten mit unterschiedlichen Widerständen erreicht werden, wobei dann eine gemeinsame Ansteuerung vorgesehen sein kann.
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Die 5 zeigt eine alternative Ausführungsform einer Vorrichtung 1 zum Herstellen eines polykristallinen Siliziumblocks gemäß der vorliegenden Erfindung. In 5 werden dieselben Bezugszeichen verwendet, sofern gleiche oder ähnliche Elemente bezeichnet werden.
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Die Vorrichtung 1 besteht wiederum im Wesentlichen aus einem Isolationskasten 3, der im Inneren einen Prozessraum 4 bildet. Innerhalb des Prozessraums 4 ist eine Aufnahme für einen Schmelztiegel 6 vorgesehen. Ferner sind wiederum eine Bodenheizeinheit 7 und Diagonalheizeinheiten 9a und 9b im Prozessraum vorgesehen. Eine Seitenheizeinheit ist bei dieser Ausführungsform hingegen nicht vorgesehen. In einem unteren Bereich des Isolationskastens sind Gasausführungen 10 vorgesehen. Weiterhin ist ein Folienvorhang 14 im Prozessraum 4 vorgesehen. In einer Oberseite des Isolationskastens 3 ist eine Gaszuführung 40 vorgesehen. Ein Plattenelement, wie bei der ersten Ausführungsform ist nicht vorgesehen, kann aber optional auch bei dieser Ausführungsform eingesetzt werden.
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Der Schmelztiegel ist wiederum mit Siliziumrohmaterial 20 gefüllt, wobei das Siliziumrohmaterial 20 primär in Form von Stangenmaterial über den oberen Rand des Schmelztiegels 6 hinaus gestapelt ist, um nach dem Aufschmelzen einen gewünschten Füllgrad an Siliziumschmelze im Schmelztiegel 6 zu erreichen.
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Hierdurch kann gegebenenfalls eine Nachchargiereinheit entfallen. Statt das Stangenmaterial wie dargestellt zu stapeln, ist es auch möglich das Stangenmaterial im Wesentlichen vertikal im Schmelztiegel anzuordnen. Bis zur Höhe des Schmelztiegels können Freiräume dann wieder mit Siliziumbruch verfüllt werden. Um zu verhindern, dass Siliziumrohmaterial über den Rand des Schmelztiegels 6 fällt, kann ein nicht dargestellter Aufsatzrand für den Schmelztiegel 6 vorgesehen werden, der mehrfach eingesetzt werden kann.
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Die Bodenheizeinheit 7 kann den gleichen Aufbau besitzen, wie zuvor beschrieben, was auch für die Diagonalheizeinheiten 9a, 9b gilt. Bei der dargestellten Ausführungsform ist die untere Diagonalheizeinheit 9a jedoch länger ausgeführt und überlappt teilweise den Schmelztiegel und gegebenenfalls einen darin gebildeten Siliziumblock. Hierbei sollt die Überlappung des Schmelztiegel bzw. des Siliziumblocks aber maximal 20% der Länge des Diagonalheizers betragen.
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Der Folienvorhang 14 kann aus demselben Material bestehen wie zuvor beschrieben und erstreckt sich zusätzlich auch zumindest teilweise entlang des Deckenbereichs des Isolationskasten 3. Der Folienvorhang 14 überdeckt damit den Schmelztiegel ähnlich einem Baldachin, wobei die Diagonalheizeinheiten 9a, 9b außerhalb des überdeckten Bereichs liegen. Über die Gaszuführung 40 kann eine Gasströmung in die Prozesskammer 4 eingeleitet werden, die durch den Folienvorhang 14 über die Diagonalheizeinheiten 9a, 9b geleitet wird, um diese gegenüber Prozessgasen aus dem Bereich des Schmelztiegels 6 zu schützen.
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Der Prozessablauf gleicht im Wesentlichen dem schon oben beschriebenen, wobei jedoch kein Plattenelement für eine Nachchargierung vorgesehen ist, und die Erwärmung des Siliziummaterials ausschließlich über die Bodenheizeinheiten 7 und die Diagonalheizeinheiten 9a und 9b erfolgt.
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Die Erfindung wurde zuvor anhand bevorzugter Ausführungsformern der Erfindung näher erläutert, ohne auf diese konkreten Ausführungsformen beschränkt zu sein. Insbesondere ist es auch möglich, Elemente der unterschiedlichen Ausführungsformen miteinander zu kombinieren oder gegenseitig zu ersetzen. Statt eines Folienvorhangs wäre es auch möglich einen Gasvorhang vorzusehen, der durch eine von oben nach unten gerichtete Gasströmung gebildet wird und somit die Diagonalheizer gegenüber schädlichen Prozessgasen schützt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19934940 C2 [0002]
- DE 102010024010 [0005]
